射频磁控溅射生长BN薄膜及其接触特性的研究

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功率集成电路可以将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上,实现了电能和信息的集成,成为机电一体化的理想接口,由于其具有较大的输出功率,因此,对制作材料的要求非常苛刻。而BN材料由于其具有很宽的禁带宽度(Eg>6.3eV)、良好的导热性(~13W/cm·K,仅次于金刚石)以及优异的热稳定性和化学稳定性,完美地符合了功率集成电路需要。然而,人工制备BN单晶常常需要高温(>1000℃)高压(几个GPa)的苛刻条件,因此很难获得大尺寸、高质量的cBN单晶,不利于现代电子电路的集成与应用。因此人们希望能够制备高质量、大面积的BN薄膜,以有利于其在功率集成电路领域中的应用。除了可应用于功率集成电路,BN薄膜还是石墨烯器件的理想衬底材料,而且作为第三代半导体材料,BN薄膜在光学表面涂层、深紫外光电探测器及发光器件、以及耐高温大功率电子器件等方面也具有潜在应用价值。硅是应用最为广泛的集成电路基底材料,具有价格低廉、工艺成熟、利于集成等优点,因此本论文以Si材料为衬底,采用磁控溅射手段进行了BN薄膜的生长研究。取得的主要研究结果如下:1.采用射频磁控溅射工艺,在N型Si衬底上制备了BN薄膜,溅射功率为150W,本底真空度5×10-4Pa,工作气氛为Ar气,工作气压为1Pa。重点研究了溅射时间、衬底温度以及退火工艺对于BN薄膜性能的影响。分析了溅射时间分别为1h、2h、3h的BN薄膜样品的红外光谱,不仅观测到sp2杂化的hBN的TO模振动峰,还观测到sp3杂化的cBN和wBN的TO模振动峰,以及sp2和sp3混合杂化的eBN振动峰,此外,还观测到B-O键振动吸收峰,位于1280cm-1附近。XPS的结果也证明了B-N-O键的存在,由于O的作用,使得B和N的束缚能都向高能方向移动。说明制备的BN薄膜组分复杂,主要包含cBN、hBN以及BNxOy的化合物。研究了衬底温度分别为200℃、300℃和400℃时制备的BN薄膜的红外光谱,发现衬底温度的升高明显有利于hBN的沉积生长,但BNxOy化合物的含量依然不可忽略,说明衬底温度的升高也同样利于B-N-O键的形成。将BN薄膜样品在氮气氛围650℃下退火1.5h,发现高温热退火不仅可以减小BN薄膜的内应力,而且可以改善BN薄膜的结晶质量,特别是对BN厚膜,效果更显著。2.研究了BN/Si异质结的电学特性和BN薄膜的紫外光吸收特性。通过I-V特性的测试,证明BN/Si异质结具有良好的整流特性,BN薄膜为P型导电,Si衬底为N型导电,p-BN/n-Si异质结的最高整流比大于1000。制备的BN薄膜具有显著的紫外光吸收现象。通过分析紫外吸收光谱,计算得到衬底温度为300℃制备的BN薄膜的光学带隙达到5.23eV,且符合直接带隙材料的吸收规律,说明衬底温度为300℃的BN薄膜样品中的hBN含量比较高,hBN的含量决定了薄膜整体的光学带隙与紫外光吸收特性。3.研究了cBN单晶与薄膜材料的金属电极制备及金半接触特性研究。采用磁控溅射方法,分别在cBN单晶上制备了Cr、Ti金属薄膜电极。采用四探针法测量金属薄膜的电阻率均为10-3·cm量级。通过I-V特性测试发现,Cr、Ti电极与cBN之间为肖特基接触,接触电阻很大,I-V曲线呈现非线性特性。为了改善电极与cBN的接触质量,在Cr电极薄膜上又真空蒸镀了一层Au电极,并分别在450℃和900℃时对Cr/Au合金电极退火20分钟。退火后的I-V特性表明,电极与cBN间的接触质量得到改善,且900℃高温退火后的Cr/Au电极与cBN间表现出非整流特性。
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